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ArticleFebruary 20, 2023

用于促进伤口愈合的两层仿生柔性自供电电刺激器

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Yining Chen
Yining Chen
Key Laboratory of Leather Chemistry and Engineering (Ministry of Education), Sichuan University, Chengdu 610065, China
Research Center of Biomedical Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065, China
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https://orcid.org/0000-0002-9501-5293
Wenxin Xu
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Xin Zheng
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Xuantao Huang
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Nianhua Dan*
Nianhua Dan
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*Email: dannianhua@scu.edu.cn
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https://orcid.org/0000-0001-9819-1439
Meng Wang
Meng Wang
Department of Orthopaedics, Strategic Support Force Medical Center, Beijing 100101, P. R. China
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Yuwen Li
Yuwen Li
Department of Pharmacy, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, China
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Zhengjun Li
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Weihua Dan
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Yunbing Wang
Yunbing Wang
National Engineering Research Center for Biomaterials, Sichuan University, 29 Wang Jiang Road, Chengdu 610065, China
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Biomacromolecules

Cite this: Biomacromolecules 2023, 24, 3, 1483–1496

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https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01520

Published February 20, 2023

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伤口损伤的修复长期以来一直是临床上的常见问题。受临床实践中组织的电活性性质和伤口电刺激的启发，下一代自供电电刺激器伤口治疗有望达到预期的治疗效果。在这项工作中，通过按需集成仿生树状压电纳米纤维和具有仿生电活性的粘合水凝胶，设计了一种基于自供电电刺激器的伤口敷料（SEWD）。 SEWD具有良好的机械性能、粘附性能、自供电性能、高灵敏度和生物相容性。两层之间的接口融合良好且相对独立。本文通过P(VDF-TrFE)静电纺丝制备了压电纳米纤维，并通过调节静电纺丝溶液的电导率来控制纳米纤维的形貌。得益于其仿生树枝状结构，所制备的压电纳米纤维比天然P(VDF-TrFE)纳米纤维具有更好的机械性能和压电敏感性，可以将微小的力转化为电信号作为组织修复的动力源。同时，设计的导电粘合水凝胶的灵感来自天然贻贝的粘合特性以及儿茶酚和金属离子形成的氧化还原电子对。它具有与组织相匹配的仿生电活动，可以将压电效应产生的电信号传导到伤口部位，以利于组织修复的电刺激治疗。此外，体外和体内实验表明SEWD可将机械能转化为电能，从而刺激细胞增殖和伤口愈合。通过开发自供电伤口敷料，提出了有效治疗皮肤损伤的愈合策略，对于快速、安全、有效促进伤口愈合具有重要意义。

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Subjects

一、简介

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作为天然的保护屏障，皮肤在保护身体免受异物和病原体、极端温度、水分流失、紫外线辐射、微生物和化学侵害以及伤害方面发挥着重要作用。因此，需要保持皮肤的完整性。 (1)手术创伤、烧伤、各种慢性皮肤溃疡等都会损害皮肤的保护能力。皮肤损伤的治疗可以追溯到人类文明早期，人类就已经掌握了伤口的包扎。由于现代医学和材料科学的快速发展，更有效的伤口敷料和治疗策略已经出现。 (2)目前的伤口愈合方法，如先进的生长因子介导疗法，(3)天然细胞外基质的结构模仿，(4)细胞生长环境的优化，(5)生物活性材料的使用，( 6）有效促进皮肤再生；然而，这些方法仍然面临控制不准确和生物活性损失的挑战。随着伤口愈合的阐明，伤口敷料和治疗策略都在不断发展。 (7)在伤口愈合领域，研究重点是快速、安全、有效治疗皮肤伤口、加速愈合、提高愈合质量的方法。 (8)

生理微电流普遍存在于人体组织中，其对人体的影响已被研究多年。人体皮肤存在10-60 mV的内源电位和经皮电流电位。 (9,10) 当电流流过皮肤伤口时，会产生一种称为“损伤电流”的电场，这是伤口发生和修复的重要因素。 (11)当上皮细胞因损伤而分解时，电位差消失。这种消失是启动细胞迁移和再上皮化的最早刺激信号。许多上皮细胞，包括人类角质形成细胞，可以检测电场以及定向迁移（12），并且大量研究已证明电刺激是促进伤口愈合的有效治疗方法。 (13,14)作为非药物生物物理能量，电刺激(ES)可以促进皮肤愈合速度并防止缺血和坏死组织的形成。 (14,15) 2002年，美国食品和药物管理局批准ES设备用于某些慢性伤口（例如糖尿病、瘀血和动脉溃疡）的临床治疗。 (16) 目前，大量临床研究表明ES对伤口愈合有积极影响，并已在临床实践中用于加速伤口闭合。 (17,18)

然而，微电流刺激的大规模应用受到很大限制，因为它通常依赖于设备并且需要由合格的人员操作。因此，生物电敷料应运而生，是 ES 在伤口治疗中应用的有效方法。例如，第一批上市的PosiFect RD（Biofisica UK Ltd.，Basingstoke，UK）包含一个微电路，可以将两节不可充电电池产生的微电流连续输送到伤口至少48小时。 (19) Procellera是一种生物电绷带伤口敷料，当被伤口渗出液或生理盐水润湿时，它可以通过编织材料中的银和锌金属微电池连续产生2-10 mV的ES。 (20) 此外，压电材料在微电流敷料方面具有应用潜力。 (21)由于压电材料的这种自发电特性，适合制备无线、简单、灵活的微电流敷料。龙等人。使用有效的电子绷带加速伤口愈合，该绷带使用基于压电和摩擦电效应的可穿戴纳米发电机制造，通过将皮肤运动的机械位移转换为电能来产生交变离散电场。 (22) 虽然这些敷料克服了上述限制，使得 ES 能够方便地用于伤口治疗，但仍然存在一个缺点：众多先进敷料的固有优点，如仿生细胞外基质结构、可以调节细胞行为的材料表面特性、通过引入和强化ES疗法的功能，提供湿润愈合环境的亲水性和保湿特性会丧失。如果能够将 ES 疗法引入敷料中而不妨碍先进敷料的优点，可能会取得事半功倍的效果。

在这项工作中，通过集成基于压电材料的自供电发电机和基于导电粘合剂水凝胶的生物活性多孔支架，设计了一种智能电子支架。所获得的自供电电刺激伤口敷料（SEWD）用于伤口治疗，引入ES疗法。如图1所示，SEWD材料由两个功能层组成：上压电层是树状P(VDF-TrFE)纳米纤维(P(VDF-TrFE) NF)，用于在力变形过程中产生ES，通过静电纺丝；下层是基于铁离子和儿茶酚基团的导电粘合剂聚丙烯酰胺-明胶双网络水凝胶，可以粘合压电薄膜并将SEWD材料固定在伤口上，有效地将ES传输到伤口。 P(VDF-TrFE) NFs的纤维结构被仿生设计为树枝状结构，以实现更好的电信号生成和更好的机械性能；然后，制备导电粘合剂水凝胶并将其与P(VDF-TrFE) NFs集成，并表征其关键性能；最后，通过体内和体外测试证明了SEWD的促进愈合功能，以全面研究其安全性和有效性。

2。材料和方法

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2.1.材料

P(VDF-TrFE) (75/25) 购自 Piezotech Inc.（法国）。四丁基氯化铵（TBAC）、N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮和二甲亚砜购自科龙化学有限公司（中国）。 Fe3O4 纳米粒子（Fe3O4 NPs）、丙烯酰胺（AM）和过硫酸铵购自德科道金有限公司（中国）。明胶、DAPI 和罗丹明环肽购自北京索拉宝科技有限公司（中国）。盐酸多巴胺购自 Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。 RPMI-1640培养基、甲基四唑(MTT)、青霉素-链霉素、胰酶购自赛默飞生化产品有限公司。

2.2. SEWD的准备

首先，将1.08g P(VDF-TrFE)、0.096g TBAC和0.004g Fe3O4 NP添加到含有4mL丙酮和6mL DMF的混合溶剂中。将溶液在磁力搅拌器的作用下于室温搅拌过夜。使用前通过超声波去除气泡。将超声波消泡后的静电纺丝溶液小心地装入注射器中，无气泡，然后连接导电针，将注射器装入注射器中，将高压电源连接到导电针上；在接收辊上包裹一层铝箔，转速为500转/分钟。然后，打开高压电源，将电压调整至28.6 kV。将所得静电纺丝纳米纤维在烘箱中干燥以完全除去溶剂。其次，将 P(VDF-TrFE) NF 平放在含有儿茶酚接枝的氧化海藻酸钠（COA；通过碳二亚胺辅助酰胺化反应将多巴胺接枝到二醛海藻酸钠上；图 S1）的模具底部，铁离子、明胶、丙烯酰胺（AM）溶液（具体用量参见表S1第5行）。儿茶酚基团和铁离子可以形成氧化还原对，引发丙烯酰胺（PAM）的自由基聚合和明胶的交联，形成在 P(VDF-TrFE) NF 上生长的双网络水凝胶，具有导电和粘合功能。详细方法和水凝胶的含量列于表S1。获得的水凝胶被标记为CF-Gel-PAM。整个支架由两层组成，为SEWD。

2.3.扫描电子显微镜 (SEM)

SEWD 样品的形貌通过 SEM（S3000N，日立，日本）观察。将样品在液氮中破碎并在表面喷金。然后使用ImageJ软件测量P(VDF-TrFE) NFs纳米纤维（选取放大5000倍SEM图像中的100根主干纤维）和水凝胶的孔隙直径，并进行直径分布统计出在软件Origin中。

2.4.机械性能的测量

使用万能试验机（AI-7000S，Gotech，中国）在 100 mm/min 的应变速率下测定机械性能，包括拉伸强度和断裂伸长率。将样品切成长×宽=20mm×4mm的骨状标本。测量是在 25°C 下使用每种样品类型的五个样本进行的；对值进行平均并表示为平均值±标准差。

2.5.粘合性能的测量

选择猪皮作为生物组织，测试SEWD对生物组织的粘附力。采用搭接剪切粘合试验测试SEWD在猪皮表面的粘合强度。将猪皮上的鲜皮（40毫米×10毫米）用冷水浸泡2小时，然后将两块猪皮用SEWD粘合在一起，粘合面积为1厘米×1厘米。通过万能试验机以 5 mm/min 的应变速率将样品拉至失效状态。根据剪切强度表征水凝胶的组织粘附特性。

还评估了两层 SEWD 之间的粘合强度。 P(VDF-TrFE) NFs的两侧分别与水凝胶粘合，粘合面积为1 cm×1 cm。然后使用万能试验机以1 mm/min的应变速率将样品拉至破坏状态，根据剪切强度表征两层SEWD材料之间的粘结强度。

2.6。压电和导电性能的评估

P(VDF-TrFE) NFs的压电性能通过CHI660E电化学工作站（CH Instruments，Inc.，中国）和ESM303-COMP机械测量系统（Mark-10 Corporation，美国）进行测试。切割4 cm×2 cm的样品，两端用导电银胶粘合0.01 mm厚的高纯铜箔，干燥24 h，如图S2所示。机械测量系统的向下压力速度设置为10 mm/s，提升速度为200 mm/s。通过电化学工作站在1 N压力下测量并记录开路电压（OCV）。此外，分别在 0.1、1、2 和 5 N 循环压力下测量了优化的 P(VDF-TrFE) NF 的 OCV。 P(VDF-TrFE) NF 的电域结构通过压敏力显微镜（PFM；MFP-3D Infinity，Oxford Instruments，UK）在 4 V 电压下测量。

采用电化学工作站（CHI660E，CH Instruments，Inc.，中国）检测水凝胶的电导率。首先，将水凝胶加工成直径20×20mm、厚度1mm，并将样品夹在铜电极片之间。测试水凝胶的电流电压曲线，并通过以下公式计算材料的电导率： (23)

σ = (I / V) (L / S)

其中σ是电导率，V是测量电压，I是测量电流，L是两个电极之间的距离，S是样品横截面积。

2.7.体外细胞相容性评价

SEWD 各层的细胞相容性通过 MTT 测定进行体外评估。评估了样品提取物中培养的细胞的增殖。简而言之，在 60Co 辐照灭菌之前将样品密封。然后将40 mm×70 mm薄膜样品在9.3 mL细胞培养基中浸泡24 h，得到提取物，同时将水凝胶样品按0.1 g/mL加入提取液体积中。细胞培养基是补充有10%（v/v）小牛血清和1%（v/v）抗生素的1640培养基。将细胞（细胞浓度为1×104/毫升）与0.1 mL提取物在37℃、含5%CO2的湿润气氛中于96孔塑料组织培养板中培养，同时使用新鲜的细胞培养基空白对照组。培养 1、3 和 5 天后评估细胞活力。在每个时间点，将20μL/孔的5mg/mL MTT溶液添加到培养物中，并在37℃下孵育4小时以形成甲臜晶体。随后加入DMSO（200 μL/孔）溶解甲臜晶体，用酶标仪（型号550，Bio-Rad Corp.，USA）测量570 nm处的光密度（OD）以评估细胞毒性程度。

2.8. SEWD 促愈合性能的体外评价

将 PLLA (1 g) 和 1,4-二恶烷 (20 mL) 在室温下充分混合，用作胶水。将 SEWD 切成直径 35 mm 的圆形，并用 PLLA 胶固定于软底 6 孔 BioFlex 培养板（BF-3001U，Flexcell Co.，USA）上。 BioFlex 培养板密封并通过 60Co 辐照灭菌。 L929 成纤维细胞接种在 BioFlex 培养板中的 SEWD 样品上，并在 37°C、含 5% CO2 的气氛中培养。每2天更换一次培养基。将板分为两组。第一组正常培养，不做任何处理。第二组采用小型振动搅拌器（XK96-A，信康医疗器械有限公司）进行机械刺激，每天一次，持续1 h。培养板全程有人看守和监督，保证软底能接受机械刺激，培养板不移位。第1、3、5天，将材料上的L929成纤维细胞消化并转移到新的平板上，稀释后通过MTT法测定增殖情况。此外，分别通过SEM和共焦激光扫描显微镜（CLSM）观察SEWD样品上的L929成纤维细胞。简而言之，将细胞（细胞浓度为每毫升5×104）接种到样品上，并在37℃、含5%CO2的气氛下的细胞培养基中培养3天。随后，将附着在样品上的细胞用4%多聚甲醛的PBS溶液在室温下固定30分钟。使用不同梯度的乙醇（30%、50%、75%、90%、95%和100%）对样品进行脱水，并在SEM（S3000N，日立，日本）观察之前用临界点干燥器干燥。此外，用 PBS (pH 7.4) 并在 CLSM（N-SIM，尼康，日本）分析之前用四乙基罗丹明异硫氰酸酯-鬼笔环肽和 4,6-二脒基-2-苯基吲哚 (DAPI) 染色。

通过蛋白质印迹分析目标胶原 I 基因的蛋白质表达水平。简而言之，在有或没有机械刺激的SEWD上培养的L929成纤维细胞被裂解，通过电泳分离蛋白质并转移到硝酸纤维素滤膜上。将膜与兔抗胶原蛋白 I（Bioss，中国）和抗 Beta 肌动蛋白（对照）（胜工，中国）一起孵育，然后与山羊抗兔 IgG-HRP（Bioss，北京，中国）一起孵育。在 X 射线胶片暗室中用电化学发光法检测蛋白质。将蛋白质水平标准化为管家基因肌动蛋白的水平。通过Quantity One 软件对条带的相对强度进行量化。

2.9. SEWD 体内促愈合性能评价

体重约 300 g 的 Sprague-Dawley (SD) 大鼠通过腹腔注射 10% 水合氯醛 (300 mg/kg) 进行麻醉。在无菌条件下，在大鼠背侧两侧（左、右）制作约10mm×20mm的全层皮肤切除伤口（每只大鼠2处）。将样品切成10 mm×20 mm的矩形，然后用60Co辐照灭菌。将水凝胶植入大鼠的左侧伤口，而SEWD则植入大鼠的右侧伤口。肌注青霉素3天，防止伤口感染。将每只大鼠饲养在单独的空间中，使其通过日常运动或日常活动获得自由的运动范围和机械刺激。手术后3、7和14天处死动物。从动物身上取出伤口和周围组织以进行进一步分析。将样品固定在 10% 缓冲福尔马林中，使用乙醇梯度脱水，然后用二甲苯澄清。将石蜡包埋的组织样本切成 5 μm 厚的载玻片。在组织学研究中，根据标准方案使用苏木精和伊红（H&E）染色和免疫组织学染色。观察碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、血小板源性生长因子（PDGF）的表达。所有实验动物均按照美国国立卫生研究院 (NIH) 制定的人类使用和实验动物护理指南进行处理。对动物进行的程序得到了四川大学动物护理和使用委员会的批准。通过ImageJ软件分析伤口图像，计算伤口面积。

2.10.统计分析

数据表示为平均值±标准差（SD）。每个实验至少重复三次。使用单因素方差分析 (ANOVA) 结合 Student-Newman-Keuls (SNK) 多重比较事后检验来测量统计显着性差异 (p < 0.05)。使用SPSS-23（国际商业机器公司（IBM），美国）软件进行统计分析。

3。结果与讨论

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3.1. SEWD材料的特性

皮肤损伤是临床上常见的问题。如何安全有效地加速组织修复，提高伤口愈合质量是一个永恒的话题。为了将安全有效的伤口ES治疗引入到方便的伤口治疗中，本工作开发了一种基于压电效应的具有自供电能力的新型伤口敷料SEWD。该敷料由双层结构组成，其中具有导电粘附功能的水凝胶材料生长在具有仿生结构的树枝状纳米纤维薄膜上，如图2A所示。受自然界树木被风吹动时树枝末端的大运动幅度的启发，通过调节静电纺丝溶液的电导率来控制P(VDF-TrFE)纳米纤维的微观结构，获得了具有树状结构的纳米纤维。获得了仿生结构，比传统的P(VDF-TrFE)静电纺丝薄膜具有更好的压电性能和力学性能。它可以将微小活动带来的机械刺激敏化为电信号，通过导电粘合水凝胶传输到创面，起到ES治疗的作用（图2B）。导电粘合剂水凝胶的灵感来自于海洋贻贝，其制备机制如图2C所示。将丙烯酰胺（AM）引入到明胶网络中并聚合，其中明胶（Gel）分子可以形成链缠结，形成Gel-PAM。添加 COA 后，COA 醛基与明胶反应，促进网络形成。而且COA分子链上的儿茶酚结构与PAM以及明胶的活性基团如氨基发生反应，也存在氢键。此外，Fe3+的添加可以避免儿茶酚还原性对AM自由基聚合的不利影响，因为它会引发氧化还原反应并与COA儿茶酚结构发生螯合。值得注意的是，在此过程中，Fe3+和儿茶酚结构形成氧化还原对，可以激活过硫酸铵（APS）产生自由基，从而温和而快速地促进AM水凝胶网络的形成（不需要高温）。 (24)在不引入Fe3+的情况下，较高的儿茶酚浓度会在一定程度上影响APS活性，从而影响PAM聚合。 (25) Fe3+的添加可以增加体系中儿茶酚基团的含量，有利于水凝胶的结构和性能。此外，Fe3+作为电子传导的载体可以提高水凝胶的电导率。制备的SEWD改善了传统压电敷料不利于直接接触创面的缺陷，也解决了临床ES设备使用不方便的问题。

图2.(A)两层SEWD的制备示意图。 (B) SEWD 内部受贻贝启发的粘附机制以及 SEWD 的特性。 (C) CF-Gel-PAM 水凝胶形成过程中的主要化学反应。

3.2. SEWD 材料的微观形貌

SEWD的照片和宏观形貌如图3A、B所示，其中可以区分两层；第一层是P(VDF-TrFE) NFs，第二层是CF-Gel-PAM水凝胶。尽管两层材料的微观结构完全不同，但它们的界面相互融合良好，并且相互独立。 SEWD独特的结构保证了它在应用时能够作为完整的材料存在。对于SEWD的第一层，受到树木扎根于土壤的大自然的启发，微风能够使树枝末端比树干移动更多。压电材料可以将机械刺激转化为电信号，树状纳米纤维有助于捕捉更多运动，为后续应用奠定基础。通过在P(VDF-TrFE)静电纺丝溶液中添加不同的物质来调节电导率，可以调控纤维的形貌。使用SEM观察纳米纤维的形貌。如图S3所示，可以看出添加TBAC和Fe3O4 NPs的样品具有更鲜艳的树枝状结构和更细的主干纤维。因此，选取该组样品进行后续实验。具体来说，从图3C、D可以看出，纤维是无序密堆积的，具有大量的树枝状结构，因为当溶液的电荷密度超过一定阈值时（图S4），电场力克服了表面张力，随后引起射流分裂，从而形成树枝状结构，与观察到的形态相对应（图3F-H）。 (26)通过5000倍变焦下对样品纤维直径分析，主干纤维分布适度集中，平均直径为0.1943±0.0389μm，分支纤维平均直径为0.028±0.0011μm。此外，P(VDF-TrFE) NFs良好的孔结构保证了其良好的透水性和透气性（7610±1252 mg/10 cm2·24 h）。水凝胶的内部形态和孔隙分析如图3I-K和图S5所示。 PAM聚合产生的自交联网络与明胶和COA网络相互渗透，形成致密的三维网络结构。使用COA交联的水凝胶结构更加致密。相比之下，COA含量较少的水凝胶孔径不均匀，交联后的平均孔径和孔隙率均呈现下降趋势。这可能归因于充分的化学反应，例如水凝胶中各组分之间的交联，包括席夫碱反应、迈克尔加成和氢键。 (27)

图 3. (A) 两层 SEWD 的照片（(I) P(VDF-TrFE) NF 和 (II) CF-Gel-PAM 水凝胶）。 (B) 两层 SEWD 的 SEM 图像。 (C) P(VDF-TrFE) NF 的 SEM 图像，×1000。 (D) P(VDF-TrFE) NF 的 SEM 图像，×10,000。 (E) P(VDF-TrFE) NF 的直径分布。 (F) P(VDF-TrFE) NF 的放大 SEM 图像。 (G) P(VDF-TrFE) NF 树状纳米纤维的示意图。 (H) 一棵树的照片。 (I) CF-Gel-PAM水凝胶的SEM图像，×200。 (J) CF-Gel-PAM 水凝胶的 SEM 图像，×500。 (K) CF-Gel-PAM 水凝胶的孔径分析。

3.3. SEWD 材料的特性

测量了 SEWD 的机械性能（图 4A、B）。双层结构在试验条件下能在大范围内保持一致的变形，其抗拉强度为46.6±2.3 KPa。通过搭接剪切试验测量两个独立结构之间的粘合强度，结果为8.7±0.83 KPa。随后，分别测量了具有两个独立结构的材料的力学性能。对静电纺丝样品的拉伸强度和断裂伸长率进行了测试，结果如图S6所示。一般来说，机械性能很大程度上取决于电纺薄膜的形态和纳米纤维之间的相互作用。将样品与天然P(VDF-TrFE) NFs进行比较，可以看出制备的树状结构样品可以促进其力学性能的提高。主干纤维可作为骨架支撑，分支纤维可作为连接支柱。接头点的强相互作用和纤维之间的缠结可以提高拉伸强度。 (28)通过流变测试评估水凝胶的储能模量（弹性模量，G'）和损耗模量（粘度模量，G''）。水凝胶的机械性能取决于水凝胶网络中聚合物链的刚性和交联度以及凝胶溶胀速率。图S7a、b显示了水凝胶的模量-频率曲线，表明水凝胶具有稳定的粘弹性固体特性和水凝胶内的有效交联。 (29) 此外，COA 的物理和化学交联相结合对水凝胶结构的稳定性产生积极影响。 (30)测量SEWD的亲水性。 I层的接触角表明它是疏水层（图S8）。由于第二层直接与伤口接触，第一层的疏水性可以在一定程度上起到防水、防污、保护伤口的作用。第二层水凝胶的溶胀性能如图S7c所示。一组水凝胶的平衡溶胀率和含水量几乎没有差异。溶胀和保留大部分水的能力归因于连接到水凝胶聚合物主链上的亲水官能团，而抗溶解性可归因于交联的水凝胶网络。此外，SEWD的溶胀率为1589±147%，与水凝胶的溶胀率没有太大差异。降解性能测试结果显示，7天内SEWD在PBS缓冲溶液中的降解率小于5%（图S7），这主要归因于材料成分中明胶的降解。

图 4. (A) SEWD 的典型拉伸曲线。 (B) SEWD 的粘合强度。 (C) 压电效应示意图。 (D) 不同压力下的OCV输出曲线。 (E) PFM 扫描相图。 (F) P(VDF-TrFE) 薄膜的微压电响应曲线。 (G) SEWD 使灯泡发光的图片（左，未连接；右，已连接）。

图4C显示了压电效应的示意图。在不同压力下测量P(VDF-TrFE) NFs的OCV值，如图4D所示，不同力下P(VDF-TrFE) NFs输出不同的OCV信号，检测到约0.3 V的电压在 0.1 N 的力作用下，表明对小力的稳定响应。这里，在2N力下OCV为2.7V。为了进行比较，Habibur 等人。 (31)改善了非极化条件下的P(VDF-TrFE)性能，其中在2V力下压电输出为2.4V。图S9显示了具有和不具有树枝状纤维结构的静电纺丝薄膜的压电性能，可以看出树枝状纤维具有明显的优势。通过对几种不同结构的样品进行FTIR和XRD分析，如图S10所示，树枝状纤维具有较高的结晶度，这是由于静电纺丝过程中形成树枝状纤维需要更大的机械拉伸，有利于P的结晶。 (VDF-TrFE)。这就是为什么树枝状纤维具有更好的压电性能。结果表明，所制备的树状纳米纤维表现出良好的应用能力。此外，利用压电力显微镜（PFM）表征了P(VDF-TrFE) NF的压电特性，以及PFM扫描相图和微压电响应曲线，即显示振幅和相位依赖性的环路曲线在偏压下，如图 4E、F 所示，展示了电纺纤维的铁电和压电响应。铁电畴定义为具有相同自发极化方向的小区域，存在于铁电体中并且可以在相图中观察到。相图中的明暗对比证明了纤维中不同的磁畴取向。 (32)向针尖施加偏压，测量相应的PFM相位和幅度。由于施加电压引起的域结构的响应和反转，薄膜表面发生变形，并记录变形。 (33)分别使用黑色（三角点）和蓝色曲线（方形点）来说明幅度和偏置电压之间的关系以及相位和偏置电压之间的关系。在这两条曲线中分别观察到应变蝶形曲线和磁滞曲线等特性。相位偏置图中所示的转变对应于偏振方向的变化。在此，域相在施加电场反转下显示出180°域的切换特性，阐明了P(VDF-TrFE) NF的铁电特性。 (34) 这是因为晶体的压电和自发极化特性是由其对称性决定的。铁电体的自发极化可以通过外部电场逆转。振幅曲线是电场诱发应变行为，因为它是在外场作用下的应变变化。此外，还可以发现P(VDF-TrFE) NF的相位和幅度是不对称的，即沿着已经偏移的电压轴。这可能是因为薄膜和电极之间的界面处存在一定的空间电荷。当施加外力载荷时，由于薄膜内部的压电效应，产生大量电子，可能会导致薄膜上表面积累一定量的负空间电荷。当使用PFM进行回路测试时，负电荷会屏蔽正测试电压，导致压电回路发生偏移。蝴蝶曲线的不对称性与不均匀分布的带电缺陷产生的内场有关。已经证实，第一层的压电特性可以将机械能转化为电能，产生的电信号可以通过第二层传输到伤口部位。当连接到灯泡电路中时，CF-Gel-PAM 水凝胶充当导体，使灯泡发光（图 4G）。这是因为 Fe3+ 在水凝胶网络内形成了电子载体网络，并通过与 COA 中的儿茶酚基团配位形成氧化还原对。 COA 有助于稳定 Fe3+，与明胶以及 PAM 交联并形成氢键；因此，在水凝胶中形成了有效的导电网络。然后，测试并计算了水凝胶电导率（图S11a）。据报道，皮肤电导率范围为0.26–1 × 10–5 S/m。 CF-Ge-PAM的电导率在皮肤组织的电导率范围内，（35）表明增强的电导率将潜在地促进生物电信号的可能传输并促进伤口愈合过程。

对SEWD的粘附性能进行了测试，图5表明COA的引入使得SEWD能够粘附到物体表面。将SEWD粘附在猪皮上进行搭接剪切强度测试，粘附强度约为8.5 KPa（图4B）。此外，SEWD可以很好地粘附在各种物品的表面，并且可以在人体皮肤上无痛地粘贴和去除（图5）。此外，还观察到，随着 COA 含量的增加，搭接剪切强度也随之增加（与猪皮的粘合性更好），因为 COA 的增加引入了更多活性儿茶酚基团（图 S11b）。研究表明，儿茶酚基团可以在无机表面上形成高强度的可逆配位相互作用，而氧化的邻醌基团可以通过直接共价交联附着到有机表面。 (36) 对猪皮的良好粘附性表明 SEWD 能够用作皮肤组织的导电材料。

图 5. SEWD 的粘附能力 (A) PE、(B) 塑料、(C) 猪皮、(D) 橡胶、(E) 不锈钢、(F) 皮革、(G) 树叶和 (H) 泡沫。 (I) SEWD 粘附在作者的皮肤上并且剥离无残留。（J）受贻贝启发的水凝胶粘附机制：（I）氢键，（II）配位键，（III）阳离子-π相互作用，（IV）π-π相互作用，（V）共价键。

3.4.体外细胞毒性

支架进行体外细胞相容性评价前，样品均经过60Co辐照灭菌，对样品的外观和性能没有明显影响。生物医用材料需要良好的生物相容性。图6A-C和图S12显示了使用MTT方法在内部细胞培养的不同时间间隔测量的L929 SEWD、P(VDF-TrFE) NF和CF-Gel-PAM水凝胶的吸光度值。样品的吸光度值与对照品的吸光度值没有观察到显着差异，表明该材料不具有潜在的细胞毒性。虽然所制备的P(VDF-TrFE) NFs不直接与伤口接触，但在实际应用中与人体体液的接触是不可避免的。因此，SEWD每一层的安全性都得到了保证，因为细胞免受溶解物质的影响。图6D显示了在加入机械刺激之前和之后SEWD和L929细胞共培养后通过MTT方法测量的吸光度值。可见机械刺激作用后细胞数量明显增加。这主要归因于ES机械刺激对细胞生长带来的积极作用。研究表明，ES 通过操纵跨膜电位来促进细胞生长和分化，(37) 特别是对于神经再生，其中证实了 ES 改善神经分化和神经突起定向生长的作用。此外，研究表明细胞迁移可以通过电位差来控制。这种现象被称为趋电性，可以通过将大多数哺乳动物细胞置于外部电场中来产生。 ES可以激活磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）信号通路，从而解释ES引导的细胞迁移机制。 (38) 据广泛报道，人体皮肤、角膜上皮细胞、成纤维细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、内皮细胞和神经细胞都会对所施加的电场做出反应。 (10)这里，与普通ES相比，可以使用压电材料提供有效的ES，而不需要电极、外部电源或电池植入。压电支架可以通过瞬时变形产生电脉冲，这在日常活动中很容易实现。此外，轻质、灵活、可定制等优点赋予该材料巨大的应用潜力。采用Western blot检测支架细胞层中胶原蛋白的表达水平。图6E证实实验组的蛋白表达水平高于对照组，表明SEWD上的细胞功能在压电的辅助下由于ES而增强。图6F、G分别显示了单独的P(VDF-TrFE) NF和CF-Gel-PAM水凝胶上的细胞生长。在 SEWD 上生长 3 天的细胞的 SEM 和 CLSM 图像分别如图 6H-K 所示，两者均证实细胞在机械刺激的材料上生长得更好。细胞在刺激作用下呈梭形贴壁生长在SEWD上，且伪足延伸至邻近细胞，细胞更具活力。 CLSM图像也证实了这一点：细胞之间的连接更加紧密，伪足更加清晰且重叠，细胞呈现出向纤维孔内生长的趋势。细胞的活/死染色显示，在有或没有机械刺激的SEWD上培养的细胞凋亡较少，而机械刺激处理组中的活细胞较多，如图6L、M所示。大量研究表明ES可以有效调节细胞生长行为。 (39) ES诱导的细胞迁移机制、增殖和分化被认为是电场的作用，可以直接受细胞内离子、生长因子和受体的影响，也可以通过细胞外离子的聚集或构象变化间接影响和蛋白质。有报道证实ES可以促进和调节一些活性因子的分泌，如调节细胞增殖的骨形态发生蛋白6（BMP6），（40）和调节内皮细胞生长的VEGF，（41），有利于细胞生长。它还可以抑制核转录因子（NF-κB）活性来调节免疫和炎症反应。 (42) 此外，ES可以增强线粒体功能并促进能量供应。 (19) 结果表明，当模拟生效时，游离钙是 ES 直接和间接机制的主要因素。 (43) 此外，据报道，由于材料和蛋白质之间的连接，ES 可以导致纤连蛋白发生更有利的构象变化，从而促进蛋白质吸附到生物材料上。细胞表面更多的粘附蛋白可以促进细胞粘附和生长，因为一些细胞外基质蛋白对于细胞粘附至关重要。 (44)

图 6.(A) SEWD 提取物的 OD 值。 (B) P(VDF-TrFE) NF 提取物的 OD 值。 (C) 提取物的 OD 值。 (D) 不同刺激下 SEWD 上的细胞增殖。 (E)不同刺激下SEWD的蛋白水平。 (F) 在 P(VDF-TrFE) NF 上培养的 L929 成纤维细胞的 SEM 图像 (×2000)。 (G) CF-Gel-PAM 水凝胶上培养的 L929 成纤维细胞的 SEM 图像 (×2000)。 (H) SEWD 上培养的 L929 成纤维细胞的 SEM 图像 (×2000)。 (I) SEWD 机械刺激下培养的 L929 成纤维细胞的 SEM 图像（×2000）。 (J) SEWD 上培养的 L929 成纤维细胞的 CLSM 图像。 (K) 在 SEWD 上机械刺激下培养的 L929 成纤维细胞的 CLSM 图像。 (L) SEWD 上培养的 L929 成纤维细胞的活/死染色。 (M) 在 SEWD 上机械刺激下培养的 L929 成纤维细胞的活/死染色。

3.5. SEWD 愈合促进的体内性能验证

采用SEWD评价SD大鼠全层皮肤缺损的促愈合作用。由于SEWD直接接触伤口的一侧是水凝胶，因此选择水凝胶作为实验的对照组。结果如图7所示。SD大鼠的伤口图像和相同比例绘制的伤口轮廓表明，在SEWD的帮助下，伤口具有较高的愈合率：第一周，SEWD组的伤口闭合率近80%，远高于水凝胶对照组（53%）和纱布对照组（36%）；第二周，SEWD组伤口愈合；然而，对照组和水凝胶组的伤口并未愈合，伤口闭合率分别仅为60%和81%。一方面，SEWD敷料表现出优异的水凝胶促进愈合作用，水凝胶主要由生物质组成，具有仿生结构，有利于伤口的愈合环境。另一方面，SEWD优异的促进愈合效果也归功于压电层产生的ES。大鼠术后通过自由活动对压电层产生有效的机械刺激，压电层中产生电信号，随后通过导电水凝胶传输到伤口周围的皮肤组织，对伤口进行电刺激。因此，促进细胞增殖，加速伤口愈合。使用H&E染色观察伤口的变化。术后7天伤口处于增殖阶段，成纤维细胞迁移至受伤部位，导致毛细血管生长、胶原蛋白合成、新组织形成和上皮细胞迁移。如图8所示，观察到新的小胶原纤维排列紊乱。与水凝胶组相比，SEWD组观察到更多的纤维，并且真皮组织开始逐渐恢复。值得注意的是，SEWD组术后14天组织持续重塑，胶原纤维强健，皮肤附属器形成，伤口修复良好。水凝胶组的胶原纤维相对分散。然而，水凝胶组的表现仍然优于纱布对照组。图S13显示了对照组的染色结果。为了表征 bFGF、PDGF 和 VEGF 的表达，对伤口组织进行了免疫组织化学分析。结果如图8所示，表明SEWD的阳性表达强于水凝胶，表明SEWD可以促进伤口处更多生长因子的分泌，这对于伤口愈合是有效且重要的。皮肤具有内源性潜力，在伤口愈合过程中会发生变化。手术后大鼠日常活动造成的微小变形可能导致SEWD产生电信号，电信号随后传输到伤口附近，从而为伤口提供ES，这被认为是物理治疗，从而通过模仿受伤时产生的自然电流来促进伤口愈合。 ES能够加速细胞增殖并促进组织生长，是一种促进伤口愈合的自然愈合机制，因为伤口组织周围存在固有的电位差。与其他治疗方法相比，ES具有不需要异物、副作用小的优点，适用于各种伤口。外源ES可以通过趋化作用促进细胞和信号分子的定向迁移，（10）促进相关生长因子的分泌，（45）增强线粒体功能，（16）促进多种细胞内途径； (18)因此，胶原纤维合成增加，伤口上皮化加速，伤口以内源性方式更快闭合。 ES疗法的有效性已在多项动物和临床研究中得到证实(18,46)，并且该疗法主要依赖于专用设备或电池，从而给医务人员和患者带来不便。压电材料在形变下自发发电可以很好地克服这一缺点。此外，与使用电池相比，不会出现电力耗尽的问题。无细胞毒性的材料在实际应用中可以根据伤口的大小和形状精确定制。通过SD大鼠全层皮肤缺损的修复实验，证实SEWD的促愈合效果优于纯水凝胶敷料。水凝胶已广泛应用于烧伤治疗，因为它可以促进伤口愈合。 SEWD继承了水凝胶的特性，同时还拥有压电层，可以促进ES治疗的愈合，因此赋予了原有敷料双重协同的愈合能力。

图 7. (A) 全层伤口愈合过程的照片。 (B) 不同时间点的伤口图像。 (C) 伤口的定量结果。 (D)术后14天内各组大鼠皮肤伤口组织的区域痕迹。

图 8. SEWD 和 CF-Gel-PAM 水凝胶处理的伤口区域的 H&E 染色、bFGF 免疫组织化学分析、PDGF 免疫组织化学分析和 VEGF 免疫组织化学分析。

本研究制备的新型两层伤口修复敷料由仿生树状压电纳米纤维和导电粘合水凝胶组成，可以粘附在其他敷料上具有促进愈合功能的压电层上。作为伤口敷料的通用材料，该材料将ES疗法与各种敷料有效结合，提高水凝胶敷料的促愈合能力。这一策略有助于克服目前使用的ES疗法依赖额外设备和合格人员的限制，拓宽了ES疗法在伤口修复领域的应用范围和模式。此外，所制备的用于伤口愈合的压电材料可以根据伤口的大小和形状进行定制。

4。结论

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目前的ES治疗不方便，因为它依赖于设备并且阻碍了敷料的固有优势。需要根据伤口特点和愈合过程，考虑合理、有效地对伤口敷料应用各种促愈合方法，以提高促愈合能力。因此，在这项研究中，开发了一种结合压电层和导电粘合层的促进愈合材料，具有良好的物理和化学性能以及生物相容性。压电层是具有仿生结构的树枝状纳米纤维支架，比传统纳米纤维支架具有更好的压电和物理化学性能。水凝胶层具有仿生电活性和可控的粘附能力。体外和体内实验结果表明SEWD可以促进细胞迁移、增殖和表达。此外，作为一种促进愈合的材料，SEWD适用于伤口的不规则表面和边缘，因为它可以根据不同的伤口大小和形状进行定制。此外，这种材料可以最大程度地减少给患者带来的不便，因为它具有以下优点：无线、易于使用和更换、不需要外部电源或经过 ES 培训的专业操作人员、快速愈合且成本合理。提出了ES在伤口敷料中应用的新方法，通过开发自供电伤口敷料，为皮肤损伤的有效治疗提供了新的治疗策略，对于快速、安全、有效的推广具有重要意义。伤口愈合。

支持信息

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支持信息可在 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.2c01520 免费获取。

不同添加剂的P(VDF-TrFE) NFs的SEM图像、直径分布、典型拉伸曲线、拉伸强度、断裂伸长率、接触角、开路电压输出曲线、FTIR光谱、XRD图谱； P(VDF-TrFE)静电纺丝溶液的电导率；水凝胶的SEM图像、孔径分布、平均孔径、孔隙率、流变性能、含水量、溶胀率、电导率和粘附强度； CF-Gel-PAM水凝胶和纱布对照组治疗伤口区域的H&E染色、bFGF免疫组化分析、PDGF免疫组化分析和VEGF免疫组化分析(PDF)

Two-Layered Biomimetic Flexible Self-Powered Electrical Stimulator for Promoting Wound Healing

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补充

奥尔廷

信息

一个二

-分层仿生柔性自我

供电的电气

促进伤口愈合的刺激器

陈一宁

1,2

,徐文欣

1,2

, 郑新

1,2

, 黄轩涛

1,2

、拈花蛋

1,2*

王猛

, 李宇文

，

李正军

1,2

、丹卫华

1,2

和王云冰

1 皮革化学与工程重点实验室(四川大学),

教育部, 成都 610065

2 Research Center of Biomedical Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan

610065, China

3 Depa

rtment of Orthopaedics Strategic Support Force Medical Center

, Beijing

100101, P. R. China

4 National Engineering Research Center for Biomaterials, Sichuan University,

29 Wang Jiang Road, Chengdu 610065, China.

5 Department of Pharmacy, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu

610041, China

*Correspondence to: N. Dan (

dannianhua@scu.edu.cn)

This PDF file includes:

Methods

Supplemental F

igure S1

-S1

Supplemental T

able S1

Experimental Section

Preparation method of hydrogels

COA (prepared according to the method in our previous work

) was dissolved in

7mL distilled water and stirred evenly, 2mL of 10% gelatin solution prepared in

advance was added in.

Then, after stirring at room temperature for 4 hours,

acrylamide monomer, 1mL of 20mg/mL FeCl

·6H2O

, BIS were added. APS was

added at las

t after stirring evenly. The parameters were shown in table S6. From No.1

to 7, hydrogels in each group were successively denoted as PAM, Gel

-PAM, COA

Fe-Gel

-PAM-1(abbreviated as CF

-Gel

-PAM-1), CF

-Gel

-PAM-2, CF

-Gel

-PAM

-3,

-Gel

-PAM-4, CF

-Gel

-PAM-5.

Fig

ure S

1 The chemical structure of COA

Tab

le S

1 Preparation scheme of hydrogel

numeric

al order

10%Gel

/mL

COA

/mg

FeCl

/20mg/mL

APS

/mg

BIS

/mg

/mL

120

150

180

150

240

150

FTIR spectra measurements

条款及条件

大多数电子支持信息文件无需订阅 ACS 网络版即可获得。此类文件可以按文章下载用于研究用途（如果有链接到相关文章的公共使用许可证，则该许可证可能允许其他用途）。可以通过 RightsLink 许可系统提出请求，从 ACS 获得许可用于其他用途：http://pubs.acs.org/page/copyright/permissions.html。

作者信息

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通讯作者
- 年华蛋-四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，成都 610065；四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065; https://orcid.org/0000-0001-9819-1439；邮箱：dannianhua@scu.edu.cn
作者
- 陈一宁 - 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室, 成都 610065;四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065; https://orcid.org/0000-0002-9501-5293
- 徐文新 - 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室, 成都 610065;四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065
- 郑新 - 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室, 成都 610065;四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065
- 黄轩涛 - 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室, 成都 610065;四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065
- 王猛 - 战略支援部队医学中心骨科，北京 100101
- 李宇文 - 四川大学华西医院药剂科, 成都 610041
- 李正军 - 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室, 成都 610065;四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065
- 丹卫华 - 四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室, 成都 610065;四川大学生物医学工程研究中心, 四川成都 610065
- 王云兵 - 四川大学国家生物材料工程研究中心, 成都望江路29号 610065
资金

该研究得到国家自然科学基金项目的资助，编号： 32101081和81673631；中央高校基本科研业务费专项资金，No. 20826041E4156;皮革化学与工程教育部重点实验室（四川大学）开放项目，No. SCU2021D005；四川大学博士后跨学科创新基金。
笔记

作者声明不存在竞争性经济利益。

致谢

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感谢四川大学化工学院工程实验教学中心黄艳平博士提供的扫描电镜图像，感谢四川大学生物质科学与工程学院宋英博士提供的技术帮助。

参考

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本文引用了 46 篇其他出版物。

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Zhu, Yuanjia; Jung, Jinsuh; Anilkumar, Shreya; Ethiraj, Sidarth; Madira, Sarah; Tran, Nicholas A.; Mullis, Danielle M.; Casey, Kerriann M.; Walsh, Sabrina K.; Stark, Charles J.; Venkatesh, Akshay; Boakye, Alexander; Wang, Hanjay; Woo, Y. Joseph
Scientific Reports (2022), 12 (1), 10028CODEN: SRCEC3; ISSN:2045-2322. (Nature Portfolio)
Peripheral artery disease and the assocd. ischemic wounds are substantial causes of global morbidity and mortality, affecting over 200 million people worldwide. Although advancements have been made in preventive, pharmacol., and surgical strategies to treat this disease, ischemic wounds, a consequence of end-stage peripheral artery disease, remain a significant clin. and economic challenge. Synechococcus elongatus is a cyanobacterium that grows photoautotrophically and converts carbon dioxide and water into oxygen. We present a novel topical biol. gel contg. S. elongatus that provides oxygen via photosynthesis to augment wound healing by rescuing ischemic tissues caused by peripheral artery disease. By using light rather than blood as a source of energy, our novel topical therapy significantly accelerated wound healing in two rodent ischemic wound models. This novel topical gel can be directly translated to clin. practise by using a localized, portable light source without interfering with patients' daily activities, demonstrating potential to generate a paradigm shift in treating ischemic wounds from peripheral artery disease. Its novelty, low prodn. cost, and ease of clin. translatability can potentially impact the clin. care for millions of patients suffering from peripheral arterial disease.
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(c) 于 R.；李，M。李，Z。潘，G.；梁，Y。郭，B.具有自移除性的超分子热收缩粘合水凝胶，同时增强非侵入性伤口闭合和 MRSA 感染的伤口愈合。副词。医疗保健材料。 2022, 11, e2102749 DOI: 10.1002/adhm.202102749
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8c
Supramolecular Thermo-Contracting Adhesive Hydrogel with Self-Removability Simultaneously Enhancing Noninvasive Wound Closure and MRSA-Infected Wound Healing
Yu, Rui; Li, Meng; Li, Zhenlong; Pan, Guoying; Liang, Yuqing; Guo, Baolin
Advanced Healthcare Materials (2022), 11 (13), 2102749CODEN: AHMDBJ; ISSN:2192-2640. (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA)
Conventional wound closure and dressing are two crucial, time-consuming but isolated principles in wound care. Even though tissue adhesive opens a new era for wound closure, the method and biomaterial that can simultaneously achieve noninvasive wound closure and promote wound healing are highly appreciated. Herein, a novel supramol. poly(N-isopropylacrylamide) hybrid hydrogel dressing composed of quaternized chitosan-graft-β-cyclodextrin, adenine, and polypyrrole nanotubes via host-guest interaction and hydrogen bonds is developed. The hydrogel demonstrates thermal contraction of 47% remaining area after 2 h at 37°C and tissue adhesion of 5.74 kPa, which are essential for noninvasive wound closure, and multiple mech. and biol. properties including suitable mech. properties, self-healing, on-demand removal, antioxidant, hemostasis, and photothermal/intrinsic antibacterial activity (higher 99% killing ratio within 5 min after irradn.). In both full-thickness skin incision and excision wound models, the hydrogel reveals significant wound closure after 24 h post-surgery. In acute and methicillin-resistant Staphylococcus aureus-infected wound and photothermal/intrinsic antibacterial activity assays, wounds treated with the hydrogel demonstrate enhanced wound healing with rapid wound closure rate, mild inflammatory response, advanced angiogenesis, and well-arranged collagen fibers. Altogether, the results indicate the hydrogel is promising in synchronously noninvasive wound closure and enhanced wound healing.
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(d) 黄Y.；穆，L。赵X。韩，Y。郭，B.细菌生长诱导妥布霉素智能释放自愈水凝胶，用于铜绿假单胞菌感染的烧伤创面愈合。 ACS 纳米 2022, 16, 13022–13036, DOI: 10.1021/acsnano.2c05557
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8d
Bacterial growth-induced tobramycin smart release self-healing hydrogel for Pseudomonas aeruginosa-infected burn wound healing
Huang, Ying; Mu, Lei; Zhao, Xin; Han, Yong; Guo, Baolin
ACS Nano (2022), 16 (8), 13022-13036CODEN: ANCAC3; ISSN:1936-0851. (American Chemical Society)
Burns are a common health problem worldwide and are highly susceptible to bacterial infections that are difficult to handle with ordinary wound dressings. Therefore, burn wound repair is extremely challenging in clin. practice. Herein, a series of self-healing hydrogels (QCS/OD/TOB/PPY@PDA) with good elec. cond. and antioxidant activity were prepd. on the basis of quaternized chitosan (QCS), oxidized dextran (OD), tobramycin (TOB), and polydopamine-coated polypyrrole nanowires (PPY@PDA NWs). These Schiff base cross-links between the aminoglycoside antibiotic TOB and OD enable TOB to be slowly released and responsive to pH. Interestingly, the acidic substances during the bacteria growth process can induce the on-demand release of TOB, avoiding the abuse of antibiotics. The antibacterial results showed that the QCS/OD/TOB/PPY@PDA9 hydrogel could kill high concns. of Pseudomonas aeruginosa (PA), Staphylococcus aureus, and Escherichia coli in a short time and showed a bactericidal effect for up to 11 days in an agar plate diffusion expt., while showing good in vivo antibacterial activity. Excellent and long-lasting antibacterial properties make it suitable for severely infected wounds. Furthermore, the incorporation of PPY@PDA endowed the hydrogel with near-IR (NIR) irradn. assisted bactericidal activity of drug-resistant bacteria, cond., and antioxidant activity. Most importantly, in the PA-infected burn wound model, the QCS/OD/TOB/PPY@PDA9 hydrogel more effectively controlled wound inflammation levels and promoted collagen deposition, vascular generation, and earlier wound closure compared to Tegaderm dressings. Therefore, the TOB smart release hydrogels with on-demand delivery are extremely advantageous for bacterial-infected burn wound healing.
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9Folds，I.S.； Barker，A.T.人类皮肤电池潜力及其在伤口愈合中的可能作用。 Br。 J.德马托尔。 1983, 109, 515–522, DOI: 10.1111/j.1365-2133.1983.tb07673.x
10Tai，G.；泰，M.；赵，M.电刺激细胞迁移及其对伤口愈合的贡献。烧伤创伤 2018, 6, 20, DOI: 10.1186/s41038-018-0123-2
11 巴克，A.T.；贾菲，L.F.； Vanable, J. W., Jr. 豚鼠无毛的表皮含有强大的电池。是。 J.生理学。 1982, 242, R358–R366, DOI: 10.1152/ajpregu.1982.242.3.R358
12刘，H.；冯，Y。车，S。关，L。杨X.；赵，Y。方，L.；兹维亚金，A.V.； Lin，Q.一种具有可注射性和生物降解性的导电水凝胶支架，可操纵神经干细胞以增强脊髓损伤修复。生物大分子 2023, 24, 86–97, DOI: 10.1021/acs.biomac.2c00920
13西村K.Y.；伊瑟罗夫，R.R.； Nuccitelli，R.人类角质形成细胞在直流电场中迁移到负极，与在哺乳动物伤口中测量的结果相当。 J.细胞科学。 1996, 109, 199–207, DOI: 10.1242/jcs.109.1.199
14张杰；吴，C.；徐，Y。陈，J。宁，N。杨，Z。郭，Y。胡，X。 Wang, Y. 用于温度和应变传感以及慢性伤口治疗的高拉伸性和导电性自愈水凝胶。 ACS 应用马特。接口 2020, 12, 40990–40999, DOI: 10.1021/acsami.0c08291
15卢，Y.；王，Y。张，J。胡，X。杨，Z。郭，Y。 Wang，Y.具有低蛋白质吸收和细菌粘附的导电水凝胶的原位掺杂用于慢性伤口的电刺激。生物材料学报。 2019, 89, 217–226, DOI: 10.1016/j.actbio.2019.03.018
16Yu，C.；胡志强； Peng，R. Y.微电流敷料对皮肤伤口愈合的影响和机制：综述。米尔。医学。资源。 2014, 1, 1–8, DOI: 10.1186/2054-9369-1-24
17(a) 伊瑟罗夫，R.R.； Dahle, S. E. 电刺激疗法和伤口愈合：我们现在在哪里？副词。伤口护理 2012, 1, 238–243, DOI: 10.1089/wound.2011.0351

(b) 惠特科姆，E.；门罗，N.；霍普-希格曼，J.； Campbell, P. 演示用于康复中心患者群体伤口愈合的微电流伤口护理装置。 J. Am.科尔。临床。伤口规格2012, 4, 32–39, DOI: 10.1016/j.jccw.2013.07.001
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17b
Demonstration of a microcurrent-generating wound care device for wound healing within a rehabilitation center patient population
Whitcomb Emily; Monroe Nina; Hope-Higman Jennifer; Campbell Penny
The journal of the American College of Clinical Wound Specialists (2012), 4 (2), 32-9 ISSN:2213-5103.
PURPOSE: Wound care in a rehabilitation environment is a costly and difficult problem. The goal of this retrospective study is to evaluate differences in wound closure outcomes in acute and chronic wounds when treated with a microcurrent-generating wound care device as compared to standard wound care methods. METHODS: Data files of 38 patients who received either standard wound treatment (SOC; n = 20), or were treated with a microcurrent-generating wound device (MCD, n = 18), were retrospectively reviewed. Wounds were assessed until deemed clinically to have closed or healed with up to 100% epithelialization. All patients (18-99 years) with single wounds were included. The number of days to wound closure and the rate of wound volume reduction were compared across groups. Persistent reduction of wound size improvement was also examined. RESULTS: The wounds in the SOC group closed on average at 36.25 days (SD = 28.89), while the MCD group closed significantly faster in 19.78 days (SD = 14.45), p = 0.036. The rate of volume reduction per day was -3.83% for SOC vs. -9.82% volume reduction per day (p = 0.013) for the MCD group. The SOC group had 50% of its wounds close monotonically vs. 83.3% in the MCD group (p = 0.018). CONCLUSION: This two-center retrospective study demonstrated a 45.4% faster, and more robust healing of wounds with the use of the MCD, when compared to SOC in a rehabilitation center environment. This translates into improved patient care, and potentially significant cost savings. Economic benefits for the use of MCD compared to other wound care methods are planned for future research.
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18Ud-Din，S.； Bayat, A. 电刺激和皮肤伤口愈合：临床证据回顾。医疗保健 2014 年，2，445–467，DOI：10.3390/healthcare2040445
19班纳吉，J.；达斯·加塔克，P.；罗伊，S.；卡纳，S.；亮片，E.K.；贝尔曼，K.；不列颠哥伦比亚省迪金森；苏里，P。苏布拉马尼亚姆 (Subramaniam)，V.V.；张，C.J.； Sen，C.K.通过氧化还原活性生物电敷料改善人类角质形成细胞迁移。 PLoS One 2014, 9, e89239 DOI: 10.1371/journal.pone.0089239
20 布朗特，A.L.；福斯特，S.；拉普，D.A.； Wilcox, R.在皮肤移植收获部位使用生物电敷料：前瞻性病例系列。 J.烧伤护理研究中心。 2012, 33, 354–357, DOI: 10.1097/BCR.0b013e31823356e4
21坦登，B.；布莱克，J.J.； Cartmell, S. H. 压电材料作为刺激生物医学材料和骨修复支架。生物材料学报。 2018, 73, 1–20, DOI: 10.1016/j.actbio.2018.04.026
22Long，Y.；魏，H。李，J。姚，G。于，B.；尼，D。吉布森，A.L.；兰，X。蒋，Y。 Cai, W.可穿戴纳米发电机的离散替代电场实现有效的伤口愈合。 ACS 纳米 2018, 12, 12533–12540, DOI: 10.1021/acsnano.8b07038
23杨，B.；姚，F。郝，T。方，W。叶，L。张，Y。王，Y。李，J。 Wang, C.通过心脏组织工程的一步简便策略开发导电双网络水凝胶。副词。医疗保健材料。 2016, 5, 474–488, DOI: 10.1002/adhm.201500520
24Han，L.；严，L。王，M。王，K。方，L.；周，J。方，J。任，F.； Lu，X.基于透光聚多巴胺掺杂聚吡咯纳米纤维的软生物电子学透明、粘合和导电水凝胶。化学。马特。 2018, 30, 5561–5572, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01446
25Han，L.；严，L。王，K。方，L.；张，H。唐，Y。丁，Y。翁L.-T.；徐，J。 Weng，J.具有可调节多功能性的坚韧、可自愈和组织粘附水凝胶。 NPG亚洲材料。 2017, 9, e372– e372, DOI: 10.1038/am.2017.33
26朱，J.；石，Z。邓，N.；梁，Y。康，W.； Cheng B.基于静电纺丝制备的TPU/TBAC树状和TPU纳米纤维双层膜，设计具有水分单向传输特性的防水透气材料。 RSC 高级2017, 7, 32155–32163, DOI: 10.1039/c7ra04843b
27(a) 塞多，J.；赛兹-波修，J.；布斯克，F.； Ruiz-Molina, D.基于儿茶酚的仿生功能材料。副词。马特。 2013, 25, 653–701, DOI: 10.1002/adma.201202343

(b) Ryu，J.H.；洪，S。 Lee, H.用于生物医学应用的仿生粘合剂儿茶酚缀合壳聚糖：小型回顾。生物材料学报。 2015, 27, 101–115, DOI: 10.1016/j.actbio.2015.08.043
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27b
Bio-inspired adhesive catechol-conjugated chitosan for biomedical applications: A mini review
Ryu, Ji Hyun; Hong, Seonki; Lee, Haeshin
Acta Biomaterialia (2015), 27 (), 101-115CODEN: ABCICB; ISSN:1742-7061. (Elsevier Ltd.)
The development of adhesive materials, such as cyanoacrylate derivs., fibrin glues, and gelatin-based adhesives, has been an emerging topic in biomaterial science because of the many uses of these materials, including in wound healing patches, tissue sealants, and hemostatic materials. However, most bio-adhesives exhibit poor adhesion to tissue and related surfaces due to the presence of body fluid. For a decade, studies have aimed at addressing this issue by developing wet-resistant adhesives. Mussels demonstrate robust wet-resistant adhesion despite the ceaseless waves at seashores, and mussel adhesive proteins play a key role in this adhesion. Adhesive proteins located at the distal end (i.e., those that directly contact surfaces) are composed of nearly 60% of amino acids called 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA), lysine, and histidine, which contain side chains of catechol, primary amines, and secondary amines, resp. Inspired by the abundant catecholamine in mussel adhesive proteins, researchers have developed various types of polymeric mimics, such as polyethylenimine-catechol, chitosan-catechol, and other related catecholic polymers. Among them, chitosan-catechol is a promising adhesive polymer for biomedical applications. The conjugation of catechol onto chitosan dramatically increases its soly. from zero to nearly 60 mg/mL (i.e., 6% w/v) in pH 7 aq. solns. The enhanced soly. maximizes the ability of catecholamine to behave similar to mussel adhesive proteins. Chitosan-catechol is biocompatible and exhibits excellent hemostatic ability and tissue adhesion, and thus, chitosan-catechol will be widely used in a variety of medical settings in the future. This review focuses on the various aspects of chitosan-catechol, including its (1) prepn. methods, (2) physicochem. properties, and (3) current applications.
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28Li，Z.；徐，Y。范，L.；康，W.； Cheng，B.通过一步静电纺丝制造聚偏二氟乙烯树状纳米纤维。马特。德斯。 2016, 92, 95–101, DOI: 10.1016/j.matdes.2015.12.037
29Hu，C.；张，F。朗，L.；孔，Q。罗，R。 Wang, Y. 封装载药胶束的双响应可注射水凝胶，可实现按需抗菌活性并加速伤口愈合。 J. 受控发布 2020, 324, 204–217, DOI: 10.1016/j.jconrel.2020.05.010
30Yu，G.；丹，N.；丹，W.； Chen，Y.N-(2-羟基)丙基-3-三甲基铵壳聚糖、单宁酸和聚丙烯酰胺的可穿戴组织粘合剂三元水凝胶。工业。工程师。化学。资源。 2022, 61, 5502–5513, DOI: 10.1021/acs.iecr.2c00055
31哈比布尔，R.M.；雅各布，美国；穆罕默德，S.；乌丁，A.S.M.I.； Kim, H. C.通过优化电活性 β 相（无需传统的轮询过程）来研究 RGO 对 P(VDF-TrFE) 基质的介电和能量收集特性的影响。马特。化学。物理。 2018, 215, 46–55, DOI: 10.1016/j.matchemphys.2018.05.010
32夏尔马，P.；里斯，T.；吴，D。弗里德金，V.M.；杜查尔姆，S.； Gruverman，A.超薄聚合物铁电薄膜中的纳米级域图案。 J. Phys。凝结。事项 2009, 21, 485902 DOI: 10.1088/0953-8984/21/48/485902
33 巴吉，A.；麦，Y.W.；李，Q。聚偏二氟乙烯纤维中的静电纺丝诱导铁电性。纳米尺度 2011, 3, 3068–3071, DOI: 10.1039/c1nr10467e
34Ji，S.； Yun, J. 用于可穿戴设备应用的对齐柔性无铅压电纳米纤维的制造和表征。纳米材料 2018, 8, 206, DOI: 10.3390/nano8040206
35张，B.；他，J。石，M。梁，Y。郭，B.具有导电性和光热抗菌活性的可注射自愈超分子水凝胶可增强皮肤的完全再生。化学。工程师。 J. 2020, 400, 125994 DOI: 10.1016/j.cej.2020.125994
36(a) 科雷亚，C.；苏萨，R.O.；淡水河谷，A.C.；佩肖托，D.；席尔瓦，T.H.；雷斯，R.L.；帕什库列娃，I.； Alves，N. M.由可持续儿茶酚功能化海洋胶原蛋白和壳聚糖制成的粘合和可生物降解膜。高莱冲浪，B 2022, 213, 112409 DOI: 10.1016/j.colsurfb.2022.112409

(b) Chi, J.；李，A。邹，M。王S.；刘，C.；胡，R。蒋Z.；刘，W.；孙，R。 Han，B.新型多巴胺修饰的氧化海藻酸钠水凝胶促进血管生成并加速慢性糖尿病伤口的愈合。国际。 J.Biol。大分子。 2022, 203, 492–504, DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.01.153
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36b
Novel dopamine-modified oxidized sodium alginate hydrogels promote angiogenesis and accelerate healing of chronic diabetic wounds
Chi, Jinhua; Li, Ai; Zou, Mingyu; Wang, Shuo; Liu, Chenqi; Hu, Rui; Jiang, Zhiwen; Liu, Wanshun; Sun, Rongju; Han, Baoqin
International Journal of Biological Macromolecules (2022), 203 (), 492-504CODEN: IJBMDR; ISSN:0141-8130. (Elsevier B.V.)
Herein, the dopamine (DA) was grafted with oxidized sodium alginate (OSA) via Schiff base redn. reaction, aiming to fabricate novel DA-grafted OSA (OSA-DA) hydrogels with enhanced biocompatibility and suitable adhesion for clin. applications. The chem. structures of OSA-DA were characterized via UV-Vis, FTIR and 1H NMR spectroscopy anal. The hydrogel characteristics, biocompatibility, as well as the chronic diabetic wound healing efficacy were investigated. Our results demonstrated that DA was grafted with OSA successfully with highest grafting rate of 7.50%. Besides, OSA-DA hydrogels possessed suitable swelling ratio and appropriate adhesion characteristics. Addnl., OSA-DA exhibited satisfactory cytocompatibility and cell affinity in L-929 cells, and superior biocompatibility in SD rats. Moreover, OSA-DA exerted remarkable promoting effects on migration and tube formation of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Studies on full-thickness excision chronic diabetic wounds further revealed that OSA-DA hydrogels could accelerate healing via promoting angiogenesis, reducing inflammation response, and stimulating collagen deposition. Overall, our studies would provide basis for SA-based hydrogels as clin. wound dressings.
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37(a) 李 J. Y.；巴舒尔，C.A.；戈德斯坦，A.S.； Schmidt, C. E. 用于神经组织应用的聚吡咯涂层电纺 PLGA 纳米纤维。生物材料 2009, 30, 4325–4335, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2009.04.042

(b) Ghasemi-Mobarakeh，L.；普拉巴卡兰，M.P.；莫希德，M.；纳斯尔-伊斯法哈尼，M. H.； Ramakrishna，S.使用导电纳米纤维支架进行神经组织工程的神经细胞电刺激。组织工程，A 部分 2009, 15, 3605–3619, DOI: 10.1089/ten.tea.2008.0689
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37b
Electrical stimulation of nerve cells using conductive nanofibrous scaffolds for nerve tissue engineering
Ghasemi-Mobarakeh, Laleh; Prabhakaran, Molamma P.; Morshed, Mohammad; Nasr-Esfahani, Mohammad Hossein; Ramakrishna, Seeram
Tissue Engineering, Part A (2009), 15 (11), 3605-3619CODEN: TEPAB9; ISSN:1937-3341. (Mary Ann Liebert, Inc.)
Fabrication of scaffolds with suitable chem., mech., and elec. properties is crit. for the success of nerve tissue engineering. Elec. stimulation was directly applied to electrospun conductive nanofibrous scaffolds to enhance the nerve regeneration process. In the present study, electrospun conductive nanofibers were prepd. by mixing 10 and 15 wt% doped polyaniline (PANI) with poly (ε-caprolactone)/gelatin (PG) (70:30) soln. (PANI/PG) by electrospinning. The fiber diam., pore size, hydrophilicity, tensile properties, cond., Fourier transform IR (FTIR), and XPS spectra of nanofibers were detd., and the in vitro biodegradability of the different nanofibrous scaffolds was also evaluated. Nanofibrous scaffolds contg. 15% PANI was found to exhibit the most balanced properties to meet all the required specifications for elec. stimulation for its enhanced cond. and is used for in vitro culture and elec. stimulation of nerve stem cells. 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium (MTS) assay and SEM results showed that conductive nanofibrous scaffolds are suitable substrates for the attachment and proliferation of nerve stem cells. Elec. stimulation through conductive nanofibrous PANI/PG scaffolds showed enhanced cell proliferation and neurite outgrowth compared to the PANI/PG scaffolds that were not subjected to elec. stimulation.
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38赵，M.；宋，B.；濮，J.；和田，T.；里德，B.；泰，G.；王，F。郭，A。瓦尔奇斯科，P.； Gu，Y.电信号通过磷脂酰肌醇-3-OH激酶-γ和PTEN控制伤口愈合。自然 2006, 442, 457–460, DOI: 10.1038/nature04925
39(a) 达马拉朱，S.M.；沉，Y。埃莱勒，E.；库西德，B.；埃什吉内贾德，A.；李，J。贾菲，M.； Arinzeh，T. L.三维压电纤维支架选择性促进间充质干细胞分化。生物材料 2017, 149, 51–62, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2017.09.024

(b) Jeong, S.I.； Jun，I.D.；崔，M.J.； Nho，Y.C.；李，Y.M.； Shin, H.开发含有聚苯胺和聚(L-丙交酯-共-ε-己内酯)的电活性和弹性纳米纤维，用于控制细胞粘附。大分子。生物科学。 2008, 8, 627–637, DOI: 10.1002/mabi.200800005
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39b
Development of electroactive and elastic nanofibers that contain polyaniline and poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) for the control of cell adhesion
Jeong, Sung In; Jun, In Dong; Choi, Moon Jae; Nho, Young Chang; Lee, Young Moo; Shin, Heungsoo
Macromolecular Bioscience (2008), 8 (7), 627-637CODEN: MBAIBU; ISSN:1616-5187. (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA)
Elec. conductive polyaniline (PAni) doped with camphorsulfonic acid (CPSA) is blended with poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL), and then electrospun to prep. uniform nanofibers. The CPSA-PAni/PLCL nanofibers show a smooth fiber structure without coarse lumps or beads and consistent fiber diams. (which range from 100 to 700 nm) even with an increase in the amt. of CPSA-PAni (from 0 to 30 wt.-%). However, the elongation at break decreases from 391.54% to 207.85% when 30% of CPSA-PAni is incorporated. Anal. of the surface of the nanofibers demonstrates the presence of homogeneously blended CPSA-PAni. Most importantly, a four-point probe anal. reveals that elec. properties are maintained in the nanofibers where the cond. is significantly increased from 0.0015 to 0.0138 S/cm when the nanofibers are prepd. with 30% CPSA-PAni. The cell adhesion tests using human dermal fibroblasts, NIH-3T3 fibroblasts, and C2C12 myoblasts demonstrate significantly higher adhesion on the CPSA-PAni/PLCL nanofibers than pure PLCL nanofibers. In addn., the growth of NIH-3T3 fibroblasts is enhanced under the stimulation of various d.c. flows. The CPSA-PAni/PLCL nanofibers with elec. conductive properties may potentially be used as a platform substrate to study the effect of elec. signals on cell activities and to direct desirable cell function for tissue engineering applications.
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Cite this: Biomacromolecules 2023, 24, 3, 1483–1496

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Biomacromolecules

抽象的

一、简介

图1

2。材料和方法

2.1.材料

2.2. SEWD的准备

2.3.扫描电子显微镜 (SEM)

2.4.机械性能的测量

2.5.粘合性能的测量

2.6。压电和导电性能的评估

2.7.体外细胞相容性评价

2.8. SEWD 促愈合性能的体外评价

2.9. SEWD 体内促愈合性能评价

2.10.统计分析

3。结果与讨论

3.1. SEWD材料的特性

图2

3.2. SEWD 材料的微观形貌

图3

3.3. SEWD 材料的特性

图4

图5

3.4.体外细胞毒性

图6

3.5. SEWD 愈合促进的体内性能验证

图7

图8

4。结论

支持信息

条款及条件

作者信息

致谢

参考

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